列車巡檢智能管理系統(tǒng)的設(shè)計
鐵路運(yùn)輸是我國各種運(yùn)輸方式中的主力,實現(xiàn)鐵路列車在途信息實時管理是列車必然的發(fā)展方向。鐵路信息化發(fā)展趨勢是掌握列車運(yùn)行中內(nèi)部的各種信息,如列車車廂運(yùn)行狀態(tài)、列車溫度、載重程度、列車濕度等。鐵路運(yùn)輸具有分布地域廣、實時性信息要求精確度高等特點(diǎn)。列車巡檢智能管理系統(tǒng)的引入將大大提高在途列車信息的實時性、準(zhǔn)確性,從而提高列車管理部門的管理水平和工作效率。
1 系統(tǒng)功能及組成
列車運(yùn)行時無法與車站控制臺實現(xiàn)實時通信,車站控制臺不能得到列車運(yùn)行時的信息,給車站管理人員帶來了極大的不便。巡檢管理系統(tǒng)采用巡更技術(shù),可以記錄列車運(yùn)行時的信息,并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸,將信息發(fā)送至車站控制臺,從而實現(xiàn)實時通信,提高控制臺的管理能力。巡檢智能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1,檢測設(shè)備對列車進(jìn)行定時檢測,并將檢測結(jié)果傳輸至巡更系統(tǒng)中的信息紐扣中,巡更員使用巡更棒獲取信息,再發(fā)送至車站控制臺。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 檢測設(shè)備
檢測設(shè)備由重量傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、測速傳感器4部分組成。
2.1.1 重量傳感器:將壓力形變測重傳感器安裝在車體與行走部之間,傳感器將重力轉(zhuǎn)化為電壓,經(jīng)放大及過濾處理后,傳輸至信息鈕扣。
2.1.2 溫度傳感器:溫度傳感器采用熱電偶式設(shè)計。熱電偶由2種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開頭的限制,外有保護(hù)套,使用方便。將2種不同材料的導(dǎo)體A和B焊接起來,構(gòu)成一個閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的2個執(zhí)著點(diǎn)I和2之間存在溫差時,兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一個電流,傳輸至信息鈕扣。
2.1.3 濕度傳感器:濕度傳感器主要由濕敏電容和轉(zhuǎn)換電路2部分組成。濕敏電容由玻璃底襯、下電極、濕敏材料、上電極4部分組成。2個下電極與濕敏材料、上電極構(gòu)成2個電容串聯(lián)連接。濕敏材料是一種高分子聚合物,它的介電常數(shù)隨著環(huán)境的相對濕度變化而變化:當(dāng)環(huán)境相對濕度增大時,濕敏電容隨之增大;反之減小。傳感器轉(zhuǎn)換電路把濕敏電容變化量轉(zhuǎn)換成電壓變化,對應(yīng)于相對濕度0~100%RH的變化,傳感器的輸出呈0~1 V的線性變化,并傳輸至信息鈕扣。
2.1.4 測速傳感器:在機(jī)車車軸上安裝激光發(fā)射及感應(yīng)裝置,在輪對相應(yīng)的位置上安裝反射鏡,通過計算列車運(yùn)行時車輪每秒轉(zhuǎn)次W,從而根據(jù)V=W·2π·R 計算出列車運(yùn)行速度,其中r為輪對半徑。
2.2 巡更系統(tǒng)
該系統(tǒng)由信息鈕扣(iButton)、巡更棒、通信座、列車長專用PC(系統(tǒng)管理軟件)4部分組成,如圖1。在每個巡更點(diǎn)設(shè)置一個信息鈕扣,信息鈕扣中存儲了該點(diǎn)的檢測設(shè)備的檢測信息;巡更員手持不銹鋼巡更棒,到達(dá)巡更點(diǎn)時只需用巡更棒接觸嵌在車上的信息鈕扣,就可以把到達(dá)該巡更點(diǎn)的時間、檢測信息等數(shù)據(jù)自動記錄在巡更棒上。巡更員完成巡更后,把巡更棒插入通信座,將所有巡更記錄傳送到列車長專用PC,系統(tǒng)管理軟件立即顯示出該巡更員巡更的路線、到達(dá)每個巡更點(diǎn)的時間和名稱及漏查的巡更點(diǎn),并按照要求生成巡更報告。
2.2.1 信息鈕扣
信息鈕扣是一個直徑為16 mm左右的微型計算機(jī)晶片,具有雙向通信功能,數(shù)據(jù)傳輸使用獨(dú)特的單總線協(xié)議。信息鈕扣一端通過數(shù)據(jù)線與檢測設(shè)備連接,另一端接地。信息鈕扣同巡更棒的信息傳輸僅需短暫接觸即可完成,最高傳輸速率可達(dá)126 kb/s。在信息鈕扣晶片上刻有8位數(shù)字,為其獨(dú)一無二的編號,使用激光工藝,可永久保留,并加保護(hù)層,使其不可更改、偽造。信息鈕扣的關(guān)鍵部件硅晶片被封裝在不銹鋼防護(hù)殼中,這使它具有超強(qiáng)的抗沖擊、防腐蝕、防靜電、防水、防磨擦、防干擾等性能,極大地提高數(shù)據(jù)的安全性,延長了信息鈕扣的使用壽命。信息鈕扣工作黃金溫度為-o~+55℃。硅晶片內(nèi)部使用先進(jìn)的防靜電電路,使其能承受6 000 V的靜電而確保硬件本身及保存數(shù)據(jù)完好無損。
2.2.2 巡更棒
巡更棒是對巡更員及巡更過程進(jìn)行記錄和管理的工具。采用嵌入式技術(shù),可存儲2 000條巡更記錄,內(nèi)置實時時鐘和個人身份信息。該巡更棒像普通手持電筒,在握把處設(shè)計了2個按鈕,顏色分別為紅、綠2種標(biāo)準(zhǔn)色。正常情況,按下綠色按鈕,巡更棒處于休眠狀態(tài);按下紅色按鈕,讀取巡更信息。巡更棒采用大容量充電電池供電,要求體積盡可能小,便于攜帶,所以要選擇功耗小、體積小、集成度高的器件。巡更棒使用DS1302時鐘芯片作為系統(tǒng)時鐘。該芯片通過程序設(shè)定和提供年、月、日、時、分、秒、星期等時間參數(shù),有2個電源,一主一備,備用電源可接鋰電池,對電池進(jìn)行充電。當(dāng)主電源斷開時,可自動切換備用電源而保證時間數(shù)據(jù)不丟失。巡更棒工作電壓范圍5~215 V,具有簡單的總線串行接口,本系統(tǒng)采用9 V電池供電,通過LM293l穩(wěn)壓至5 V工作電壓。當(dāng)輸入端LM降至513 V時,輸出端仍有5 V,其性能遠(yuǎn)優(yōu)于LM7805。巡更棒的信息最終要傳給列車長專用PC進(jìn)行管理。由于列車長專用PC采用RS232協(xié)議,在此設(shè)計了通訊座,將RS232電平轉(zhuǎn)換成TrL電平,使用89C205l的串行通訊功能與列車長專用PC交換數(shù)據(jù)。
2.2.3 通信座
通信座實現(xiàn)巡更棒和列車長專用PC的互連,進(jìn)行各種設(shè)置操作和數(shù)據(jù)通訊,具體包括:將巡更棒中的數(shù)據(jù)上傳至列車長專用PC,清空巡更棒中的數(shù)據(jù),設(shè)置巡更棒的內(nèi)部時問和設(shè)置巡更棒讀取同一信息鈕扣的最小時間間隔等。通信座還可以實現(xiàn)巡更棒的電量測量,提示用戶及時充電或更換電池。通信座在通電、通訊和測電狀態(tài)下均有LED燈進(jìn)行狀態(tài)指示。和通信座配套的還有一個36 V交流到5 V直流的電源轉(zhuǎn)換器和可以直接插入列車專用電源的36 v、50 Hz的電源,為通信座充電,以及一根串口通訊線,用手通信座與列車長專用PC的串口通訊。
2.2.4 列車長專用PC
列車長專用PC為筆記本電腦,裝有列車巡檢系統(tǒng)軟件,并帶有2個RS232串口:第1個RS232串口連接通信座,實現(xiàn)巡更棒與PC之問的數(shù)據(jù)傳輸;第2個RS232串口與無線上網(wǎng)模塊(該模塊具有斷點(diǎn)續(xù)傳功能)相連,通過移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò),將信息傳輸至移動公司中的服務(wù)器。
2.3 控制臺系統(tǒng)
控制臺系統(tǒng)由GPRS服務(wù)器和車站控制臺2部分組成。
2.3.1 GPRS服務(wù)器:該服務(wù)器安放在移動公司中,接收由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的信息,在服務(wù)器中保存并通過鐵路專用網(wǎng)傳輸至車站控制臺,功能是實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)與鐵路專用網(wǎng)之間的通信。
2.3.2 車站控制臺:車站控制臺電腦中安裝巡檢系統(tǒng)后,接收GPRS服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。控制臺操作員僅需輸入列車車次,便可查詢該列車長最后一次發(fā)出的信息,同時也可查閱列車長此前發(fā)出的信息。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)操作軟件分為列車長版本和控制臺版本2種。
3.1 列車長版本
該版本主要特點(diǎn)是接受巡更棒傳輸?shù)男畔?,通過GPRS模塊將該信息傳輸出去。系統(tǒng)讀取巡更棒中信息后,將各項信息顯示在主界面中,如圖2。界面中還設(shè)置“應(yīng)急報告”版塊,列車長將途中的突發(fā)事件及不安全隱患記錄在該板塊,最后連同其他信息一同發(fā)送至控制臺。該版本除“應(yīng)急報告”版塊為手寫輸入外,其余信息均來自巡更棒,不可改動.
圖2 列車巡檢智能管理系統(tǒng)系統(tǒng)界面(列車長版本)
3.2 控制臺版本
該版本與列車長版本界面基本相似,但由于其功能僅是查詢各項信息,所以缺少圖2中“發(fā)送”、“取消”及“重新錄入”3個功能鍵,并將“發(fā)送”功能鍵改為“查詢”功能鍵。該版本中的“車次”、“列車長”可手寫輸入,方便查詢。
4 結(jié)束語
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,已使鐵路再次成為朝陽工業(yè)。以高技術(shù)武裝起來的新一代鐵路技術(shù),可以實現(xiàn)高速度、高效率、高可靠性和低成本。將巡更系統(tǒng)與GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸融為一體的在途巡檢系統(tǒng),為鐵路管理系統(tǒng)提供了信息技術(shù)支持。
作者簡介:戶國(1983-) 林松原人,蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 碩士研究生,主要從事交通信息工程及控制研究
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